[发明专利]硅光电倍增管能量分辨率

说明书

技术领域

下文涉及光电二极管，且特别是涉及盖革模式(Geiger-mode)雪崩光电二极管阵列。其具体应用到在下述中使用的探测器：正电子发射断层摄影(PET)和单光子发射计算机断层摄影(SPECT)系统、光学成像装置、光谱仪、以及其中部署有光传感器阵列的其他应用。

背景技术

在医学和其它范畴的各种应用依赖于低水平光脉冲的检测。PET系统例如包括辐射敏感探测器，其探测指示在检查区域内发生的正电子衰减的伽玛光子。该探测器包括闪烁体，此闪烁体响应于接收到的511keV伽玛而生成较低能量光子(典型地在可见光范围或接近可见光范围)的突发，每个突发典型地包括在几十到几百纳秒(ns)量级的时间段上遍布的约几百至几千个量级的光子。同步(coincidence)探测器识别那些时间上同步被探测到的伽玛。所识别的事件进而用于生成指示该衰减的空间分布的数据。

光电倍增管(PMT)传统上已经被用于探测由闪烁体产生的光子。然而，PMT是比较庞大的基于真空管的装置，其特别地不是非常适于需要高空间分辨率的应用。最近，硅光电倍增管(SiPM)已经被提出。SiPM包括探测器像素阵列，每个像素包括约几千个量级的雪崩光电二极管(APD)单元。各APD单元工作于盖革模式，每个单元包括猝熄电路。多个SiPM也已经被组合以形成SiPM阵列。SiPM可提供许多优点，这些优点包括较紧凑的尺寸、良好的灵敏度、良好的时间分辨率以及良好的空间分辨率。

再者，APD及其关联读出电路系统经常可以制作在公共半导体衬底上。在一个读出方案中，各APD单元已经并行电连接从而产生输出信号，此输出信号为由SiPM的APD单元生成的电流的模拟总和。在另一读出方案中，数字读出电路系统已经在单元级实施。见，例如，2006年10月26日的名称为Digital Silicon Photomultiplier forTOF-PET的PCT专利公布No.WO2006/111883A2。

由SiPM产生的信号的幅值可提供指示探测辐射的能量的信息。在诸如光谱测定的应用中，测量和识别此能量的能力可提供关于被检查对象的重要信息。在诸如PET和SPECT的其他应用中，能量信息可用于识别和/或排除诸如那些由随机性和散射引起的伪事件，由此趋于提高由该系统产生的图像数据的质量。

然而，遗憾的是，SiPM会有饱和的倾向。在像素化闪烁体探测器中，例如，由闪烁交互作用产生的闪烁光子的数量与探测的辐射的能量近似成比例，但是不依赖于像素尺寸。如果在给定脉冲中闪烁光子的数量与探测器的光子探测效率(PDE)的乘积显著小于像素的APD单元的数量，则SiPM信号的幅值与由SiPM探测到的光子的数量成比例。然而，当光子数量增大时，附加光子导致SiPM信号幅值越来越小的上升。这种整平(flattering)引起探测器饱和以及伴随的能量分辨率退化。

尽管增大像素中APD单元的数量可以减小饱和的效应，这么做也趋于减小SiPM的面积效率。这进而减小探测器PDE。因此，对于给定像素尺寸，像素中APD单元的数量和尺寸典型地是根据需要探测的光子的数量(即，根据闪烁体的光产出以及探测的辐射能量)来优化。

结果，需要开发针对给定应用而优化的SiPM。再者对于PET系统的实例，全身扫描器会需要约16平方毫米(mm²)的像素尺寸，头扫描器会需要约4mm²的像素尺寸，动物扫描器会需要1mm²的像素尺寸，诸如此类。因此，开发全身扫描器将需要开发、优化和制作第一SiPM，开发头扫描器将需要开发、优化和制作第二SiPM，诸如此类。将理解，这些行为将引起开发和制作成本的显著增加。

本申请的各方面解决这些事宜及其它问题。

发明内容

根据第一方面，辐射探测器包括第一闪烁体像素、第二闪烁体像素、以及包括多个雪崩光电二极管的第一探测器。第一探测器产生作为由第一闪烁体像素接收到的辐射的能量函数而变化的输出，并在第一能量处提供最大能量分辨率。辐射探测器还包括第二探测器，该第二探测器包括多个雪崩光电二极管。第二探测器产生作为由第二闪烁体像素接收到的辐射的能量函数而变化的输出，并在第二能量处提供最大能量分辨率。